Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur präzisen und dynamischen Strahlformung für die Lasermaterialbearbeitung
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Lasermaterialbearbeitung ist wegen ihrer berührungslosen und präzisen Steuerung in der Industrie etabliert. Für höhere Geschwindigkeiten und Qualität muss die Strahlform des Lasers an die Anwendung angepasst werden, um ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erzeugen. Technologien zum dynamischen Wechsel von Strahlformen bei hohen Leistungen haben jedoch oft konstruktive Defizite wie niedrige Zerstörschwellen und Auslegungsalgorithmen ermöglichen bisher keine Echtzeit-Anpassung. Das übergeordnete Ziel des durchgeführten Projektes ist daher die Realisierung einer präzisen und dynamischen Laserstrahlformung mit anschließender Verstärkung. Das erste Ziel im Rahmen dieses Projektes ist die Verminderung des Pixel-Crosstalk-Effektes (wirkt wie ein Hochpass-Filter auf die Strahlmanipulation) bei der Verwendung von LCoS-Strahlformungselementen. Liquid-Crystal-on-Silicon (LCoS) ist eine pixelbasierte Strahlformungstechnologie, welche eine örtliche und zeitlich hochaufgelöste Anpassung des Strahlprofils erlaubt. Insgesamt ist der Einfluss des Crosstalks geringer, je flacher die Gradienten in den verwendeten Phasenmasken (lokale Anpassung der Phase des elektrischen Feldes) sind. Dies lässt sich durch Vermeidung von Linsen oder eine Strahlformung außerhalb der Fokusebene erreichen. Des Weiteren ist es gelungen, ein künstliches neuronales Netz (NN) zu trainieren, welches Phasenmasken für verschiedene Intensitätsverteilungen erzeugt und die Berechnungszeit von Phasenmasken im Vergleich zu im vorangegangenen Projekt entwickelten und in diesem Projekt weiterentwickelten Iterativen Wellenpropagations-Algorithmus (IWPA) um über 40% zu reduziert. Allerdings ist die Qualität der erzeugten Phasenmasken geringer als von iterativen Algorithmen wie dem IWPA. Das dritte Ziel beinhaltet die Kopplung von IWPA und eines Algorithmus zur Lösung des inversen Wärmeleitungsproblem, sodass eine Temperaturverteilung als Zielvorgabe für die Generierung von Phasenmasken verwendet und die Abweichung hinsichtlich der Ziel-Temperaturverteilung um über 40% reduziert werden kann. Entscheidend hierbei ist, dass eine Minimierung der Abweichung von der Ziel-Intensitätsverteilung nicht gleichzeitig zu einer Minimierung der Abweichung von der Ziel-Temperaturverteilung führt. Das vierte Ziel, aus dem Vorgängerprojekt, beinhaltet die Strahlformung mit anschließender Verstärkung. Durch eine rigorose Modellierung ist es möglich einen Verstärker bei der Auslegung von Phasenmasken zu berücksichtigen und so experimentell einen Verstärkungsfaktor von 1.3 nachzuweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung (DE 10 2020 134 416), erteilt (2020)
O. Hofmann & G. König
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Application of machine learning to overcome challenges of generating phase masks for dynamic beam shaping in complex optical systems. High-Power Laser Materials Processing: Applications, Diagnostics, and Systems XII, 28. SPIE.
Kurth, Robin; Hofmann, Oskar; Stollenwerk, Jochen & Holly, Carlo
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Hochdynamische Multistrahl- und Strahlformungssysteme für die Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung, Dissertation, RWTH Aachen University
Hofmann, O.
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Kompensation von Dezentrierung und Rotation bei der Vermessung von mittels SLM erzeugten Intensitätsverteilungen. Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Erlangen
Kurth, R.
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Iterative algorithm for the generation of phase masks for spatial laser beam shaping in arbitrary optical systems. International Optical Design Conference 2023, 58. SPIE.
Hofmann, Oskar; Stollenwerk, Jochen & Holly, Carlo
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Modellbasierte Strahlformung mittels diffraktiver optischer Elemente für die Lasermaterialbearbeitung, Erlangen Ausgabe 2024.
Kurth, R.; Hofmann, O. & Colak, Y.
